水稻α-异丙基苹果酸合酶基因调控种子发芽速度的作用机理研究

Seed germination speed is an important index of seed vigor, which determines the speed and strength of seedling growth, and then it is helpful for direct seeding and mechanical transplanting in rice production. In our previous study, the key gene of α-isopropylmalate synthase OsIPMS1 involved in the regulation of seed germination speed was identified in elite japonica rice landrace Jiucaiqing from the Taihu Lake region in China using proteomics approach. Preliminary study indicated that OsIPMS1 regulates the germination speed and seedling growth though influencing the utilization of seed reserve and energy during seed germination. In this study, with CRISPR/Cas9 approach the mutants of OsIPMS1 and OsIPMS2 and with Agrobacterium-mediated approach the overexpression of OsIPMS1 and OsIPMS2 in rice will be generated to identify the functions of two genes. Through physiological, biochemical, molecular, transcriptome and bioinformatics techniques, the functional analyses of genes on the utilization of seed reserve and energy will be explored. Meanwhile the molecular mechanism of genes invlolved in the regulation of seed germination speed in rice will be discussed. The results will provide the theoretical basis for the improvement in germination speed of rice varieties in the future.

种子发芽速度是衡量种子活力的一个重要指标，决定着幼苗生长的快慢和强弱，对直播稻和机插秧等水稻轻简栽培具有重要意义。本项目前期利用蛋白质组学技术，从太湖流域优异粳稻地方品种韭菜青中鉴定到一个控制种子发芽速度的关键基因α-异丙基苹果酸合酶基因OsIPMS1；初步研究推测该基因通过调控种子萌发期物质和能量利用，从而影响种子发芽速度和幼苗生长。本项目拟进一步利用CRISPR/Cas9基因敲除技术获得水稻α-异丙基苹果酸合酶基因（OsIPMS1和OsIPMS2）突变体，通过农杆菌介导法获得OsIPMS1和OsIPMS2过量表达转基因植株，验证基因功能，探讨两个基因的作用大小；通过生理生化、基因表达、转录组和生物信息学等技术，探讨OsIPMS1和OsIPMS2基因对种子萌发期物质和能量利用的作用功能，初步阐明基因调控种子发芽速度的分子机理。研究结果可为培育快速发芽的高活力水稻品种提供理论基础。

种子发芽速度是衡量种子活力的一个重要指标，决定着幼苗生长的快慢和强弱，对直播稻和机插秧等水稻轻简栽培具有重要意义。本项目前期利用蛋白质组学技术，从太湖流域优异粳稻地方品种韭菜青中鉴定到一个控制种子发芽速度的关键基因α-异丙基苹果酸合酶基因OsIPMS1。本项目成功克隆了水稻α-异丙基苹果酸合酶基因OsIPMS1和OsIPMS2，通过基因功能验证，基因作用的生理生化机理、分子机理，以及调控网络分析，初步分析了OsIPMS1调控种子活力的作用机理。生化分析表明，水稻OsIPMS1和OsIPMS2能催化亮氨酸生物合成，其酶活性受亮氨酸的反馈调节。在正常、PEG、低温胁迫，以及直播条件下OsIPMS1突变体的种子活力显著低于野生型。与野生型比较，突变体种子萌发过程中与赤霉素（GA）合成、三羧酸循环（TCA）以及胁迫相关的11种氨基酸含量显著降低。比较野生型和突变体种子吸胀早期（8 h）转录组，共检测到1209个差异表达基因，这些基因主要参与糖酵解、蛋白质合成、丙酮酸代谢、碳代谢等途径。生理生化分析表明，OsIPMS1主要通过调节淀粉水解、糖酵解过程及ATP水平来调控种子活力。此外，研究表明可以根据检测种子引发过程中OsIPMS1基因表达确定终止种子引发的最佳时间点。本研究结果为阐明OsIPMS1基因调控种子活力的作用机理，以及为基因在品种培育和种子引发处理中的应用提供基础。